Центр стратегических оценок и прогнозов

Автономная некоммерческая организация

Главная / Наука и общество / Будущее информационного общества / Статьи
Высокоскоростные сети передачи данных в проекте «Информационные технологии XXI века»
Материал разместил: -Дата публикации: 20-02-2001

По мнению ряда американских экспертов, исследования и разработки в области создания крупномасштабных сетей призваны обеспечить технологическое лидерство США в высокопроизводительных межсетевых коммуникациях. Считается, что эти технологии позволят обеспечить такой уровень развития методов построения сетей, который необходим для дальнейшего роста общедоступных сетей типа Интернет и внутренних сетей федеральных министерств и ведомств. Первоначальные инвестиции правительства США в исследования и разработки сетевых технологий дали возможность cформировать технологическую основу сегодняшней глобальной сети Интернет.

Введение в проблему

Научно-исследовательские лаборатории, научное сообщество и промышленность помогли развернуть прототипы создаваемых сетей на национальном уровне, а также организовать производство популярных приложений - электронной почты и программ просмотра гипертекста - которые изменили сам подход к использованию ЭВМ человеком. Все это проложило путь к лидерству США во много миллиардной информационной индустрии.

Важным является то, что результаты совместных исследований и разработок в области создания крупномасштабных сетей, проводимых научным сообществом, промышленностью и правительством, являются своеобразным мостом, переброшенным к частному сектору, где их использование преобразовывает сам характер общественных связей.

Ключевыми направлениями исследований являются работы в области создания сетевых компонентов и технологий разработки, а также управления крупномасштабными сетями будущего. Считается, что работы по программе создания крупномасштабных сетей в рамках правительственной инициативы «Информационные технологии XXI века» позволят:

  • повысить эффективность исследований в области сетевых технологий, финансируемых из федерального бюджета;
  • создать эффективные сети федеральных министерств и ведомств;
  • создать сетевые приложения, которые позволят решить ряд задач обеспечения национальной безопасности;
  • обеспечить обмен информацией и облегчить взаимодействие участников в ходе проведения фундаментальных исследований и разработок;
  • отработать механизмы сотрудничества в области исследований и разработок между федеральными агентствами, правительственными лабораториями, научным сообществом и промышленностью.

Организационная структура работ

Так в 1998 году основное внимание разработчиков было сосредоточено на инициативе создания Интернет следующего поколения (Next Generation Internet, NGI). В основе создания NGI лежат программы развития крупномасштабных сетей, обеспечивающих исследования и разработку передовых технологий и приложений, а также тестирование и демонстрацию результатов, внедрение которых позволит значительно расширить возможности Интернет.

Усилия научного сообщества по данному проекту координируются рабочей группой проекта создания крупномасштабных сетей (LSNWG). С целью получения адекватного представления о ходе работ по проекту LSNWG организовала сбор необходимой информации от четырех специализированных рабочих групп, отвечающих за состояние дел по конкретному направлению развития проекта. Такими группами являются.

Объединенная инженерная группа (JointEngineeringTeam, JET). JET координирует работы по выработке общей сетевой архитектуры и организации взаимодействия между сетями федеральных агентства (FedNets) и сторонними высокопроизводительными экспериментальными сетями. JET обеспечивает тесную координацию среди поставщиков оборудования, научного сообщества и промышленности в вопросе взаимодействия и предоставления услуг с тем, чтобы улучшить характеристики, доступные конечному пользователю, а также избежать дублирования ресурсов и усилий в обеспечении предоставления высококачественных услуг. Кроме того, JET сотрудничает с академическим сообществом по программе разработки гигабитных коммутаторов (Gigapops), сетью Abilene (консорциум компаний Qwest, Cisco, Nortel и университета штата Индиана), а также с участниками программы создания Internet 2 (I2). В настоящее время JET помогает осуществлять тестирование и отладку NGI.

Наряду с этим JET поддерживает взаимодействие между федеральными агентствами и сетью Abilene с целью обеспечения возможности доступа к более дешевым телекоммуникационным услугам, обеспечивающих пользователей географически удаленных территорий США (штатов Аляска и Гавайи).

Группа исследования архитектуры сетей (NetworkingResearchTeam, NRT). NRT координирует исследовательские программы по организации сетей в федеральных агентствах, распределению информации о результатах исследований среди участников работ, а также поддерживает действия по достижению основных целей NGI. Проводимые работы позволяют снизить время на получение необходимой информации по результатам исследований и способствуют улучшению взаимодействия между разработчиками и конечными пользователями.

Группа применения высокопроизводительных сетей (HighPerformanceNetworkingApplicationsTeam, HPNAT). HPNAT координирует исследования и разработки с целью сохранить и расширить технологическое лидерство США в использовании высокопроизводительных сетей посредством проведения исследований, результатом которых является создание усовершенствованных технологий организации сетей, новых услуг и повышения производительности. Считается, что эти достижения позволят получить новые более эффективные сетевые приложения для решения задач, стоящих перед федеральными агентствами, помогая создавать основу для длительного развития национальной информационной инфраструктуры. Кроме этого группа HPNAT обеспечивает механизмы сотрудничества между федеральными агентствами, правительственными лабораториями, научным сообществом и промышленностью в разработке приложений для крупномасштабных сетей, а также организует распространение информации, включая проведение демонстраций технологий, конференций и семинаров.

Группа обеспечения защиты Internet (Internet Security Team, IST). Группа IST облегчает испытание и экспериментирование с усовершенствованными технологиями защиты, а также служит центром по выработке требований к системе защиты. Эта группа снабжает руководство LSNWG информацией необходимой для организации исследований по защите NGI. IST финансирует разработку и тестирование систем защиты Internet, тесно взаимодействуя с агентствами и JET, что помогает осуществлять подобные эксперименты, а также делает их результаты доступными для национальных и международных исследователей в области безопасности.

Программы научных исследований и разработок в области создания крупномасштабных телекоммуникационных сетей

Программы исследований и разработок в области создания крупномасштабных сетей направлены на удовлетворение требований участвующих в работах федеральных агентств, а также на разработку технологий и приложений, расширяющих возможности Internet. В этот круг программ включены работы по следующим темам.

Программа исследований усовершенствованной сетевой инфраструктуры (ANIR). Данная программа объединяет усилия по исследованиям научного и инженерного сообщества США с целью повышения эффективности проводимых исследований в области фундаментальных работ по изучению сетей и сетевых инфраструктур.

В рамках программ обеспечивается разработка и развертывание высокопроизводительных сетей для проведения исследований по многим научным направлениям, требующим высокоскоростных вычислений, с целью выявления наиболее перспективных технических и технологических решений для их последующего внедрения в сети нового поколения.

Согласно этой программе сеть vBNS связала высокопроизводительные вычислительные центры Национального научного фонда и около 100 исследовательских институтов, занятых в работах по исследованию возможностей сетей следующего поколения, по все территории США. К работе подключаются такие исследовательские учреждения, программы работы которых требуют от сетей самой высокой производительности.

В рамках программы ANIR также проводятся исследования по разработке протоколов сетевого доступа и управления, инструментальных средств управления сетью, методов организации беспроводных сетей, мобильных вычислений, оптических сетей, программного обеспечения поддержки распределенных вычислений, программного обеспечение поддержки поиска и распределения сетевых ресурсов, а также устройств и подсистем ввода-вывода.

Разработка технологии организации сети. Программа интеренет-технологий Национального научного фонда фокусируется на достижениях фундаментальной науки и техники, необходимых для повышения эффективности высокоскоростной передачи информации в сетях и распределенных системах.

В рамках программы поддерживается разработка методов комплексного мониторинга сети, обнаружения проблем и механизмов их разрешения, разработка автоматизированных и усовершенствованных инструментальных сетевых средств, сетевого обеспечивающего программного обеспечения и сетевых инструментальных средств, а также создание сетевых приложений, которые способствуют организации совместных исследований и обмену информацией.

Активные сети. Управление перспективных исследований Министерства обороны США (DARPA) разрабатывает новую архитектуру сети, в основе которой лежит программируемая инфраструктура. В рамках программы разрабатываются методы организации активных сетей, методы управления и высокоуровневые услуги для конечного пользователя. Данная программа тесно взаимодействует с разработкой технологий сетей, проводимых Министерством обороны США, НАСА и другими федеральными агентствами.

 Глобальные подвижные информационные системы. Работы по созданию глобальных подвижных информационных систем, проводимые DARPA, обеспечивают мобильным пользователям возможность работы и использования полного объема услуг, доступного в информационной инфраструктуре Министерства обороны США.

 Масштабируемая организация сети. Программа разработки расширяемой сети, также проводимая DARPA, ставит целью обеспечить способность базовых сетей к адаптации к масштабным изменениям трафика в современных сетях. Считается, что достижения в этой области позволят обеспечить доступ к географически распределенной и гетерогенной информационной инфраструктуре гарантируя при этом, что емкость основной сети и ее услуги будут приспособлены к особенностям ускоренного роста масштабов системы.

В рамках этой программы Управление перспективных исследований Министерства обороны США в 1999 году инициировало исследования по созданию гигабитной беспроводной сети связи, включающей космический сегмент на базе низкоорбитальных спутников связи.

Создание сверх высокоскоростных сетей. Результатом работ по этой программе, проводимой Агентством национальной безопасности США, должна стать инфраструктура высокоскоростной сети со скоростью предоставления канала в несколько гигабит в секунду и способностью поддержать устойчивые потоки данных, по крайней мере, до сотен мегабит в секунду уже сегодня и, в конечном счете, достичь скорости потока информации в несколько гигабит в секунду.

Еще в 1999 году Агентство национальной безопасности увеличило эффективность сетей путем снижения общего числа уровней протоколов взаимодействия сетей, а также путем перемещения управления к оконечным узлам сети. В сотрудничестве с NRL и Разведывательным управлением Министерства обороны США (РУМО), АНБ использовало режим асинхронной передачи (АТМ) с разделением по длине волны для передачи 720 цифровых сигналов по 1.5 Гбит каждый на дистанцию в  400 километров через восемь АТМ-коммутаторов.

Кроме этого, в рамках программы АНБ начало эксплуатацию полностью оптической сети, базирующейся на двух оптических технологиях:

  • прототипах серийных маршрутизаторов с волновым разделением от Lucent, созданных в рамках одного из проектов Консорциума MONET, финансируемого DARPA;
  • оптический коммутатор от Optical Networks, Inc.

Эта сеть позволяет АНБ организовать прямую связь между конечными пользователями без вмешательства электрооптического преобразования, что существенно повышает защищенность системы связи от несанкционированного доступа и перехвата сторонних излучений.

Основываясь на результатах экспериментов 1999 года, АНБ в настоящее время изучает новые подходы к управлению перегрузкой в сети, разрабатывая методы распределенного управления сетью связи.

 Сети для биомедицинских исследований. Национальный институт рака (NCI) планирует применить развивающиеся технологии организации сетей и высокоскоростные интерфейсы к вычислительной инфраструктуре одного из суперкомпьютерных центров (Frederick Biomedical Supercomputing Center, FBSC) с целью улучшить доступ к ресурсам для членов биомедицинского исследовательского сообщества. Считается, что это позволит получить новые данные для совершенствования технологий передачи данных в локальных мультимедиа-сетях.

Усовершенствованная ATM-сеть Национального агентства обработки и распределения информации дистанционного зондирования Земли (NOAA). В результате проведенных экспериментов и испытаний, финансируемых в соответствии с этой программой, NOAA разворачивает ATM-сеть. Сеть будет иметь 2400 узлов, объединенных в 80-90 виртуальных локальных сетей (VLANs). Такая архитектура дает избыточность и гибкость, необходимую для распределения полосы пропускания каналов в зависимости от индивидуальных потребностей. Инфраструктура сети должна поддержать в реальном масштабе времени обработку наблюдений поверхности Земли, получаемой со спутников дистанционного зондирования.

Единая федеральная сеть (FedNets). FedNets – единая сеть федеральных агентств - включает действующие информационные сети федеральных агентств и высокоскоростные экспериментальные сети. FedNets включает:

  • vBNS - высокопроизводительную магистральную сеть связи Национального научного фонда;
  • DREN - исследовательскую и инженерную сеть Министерства обороны;
  • NREN - исследовательскую и образовательную сеть NASA;
  • NISN - сеть интегрального обслуживания NASA;
  • Esnet - сеть научного сообщества энергетиков.

Точка доступа к высокоскоростным сетям для научного сообщества (STARTAP) и международная сеть (iGrid). Национальный научный фонд установил точку доступа (STAR TAP) в точке сетевого входа (NAP) компании Ameritech в Чикаго для связи vBNS с аналогичными международными сетями. STAR TAP управляется Электронной лабораторией визуализации (EVL) университета штата Иллинойс в Чикаго, Национальная Лаборатория Argonne и NAP  Ameritech - точка обмена с Интернет следующего поколения (NGIX), который соединяется с FedNets и Abilene, обеспечивая международное сотрудничество с другими Федеральными агентствами, университетами и промышленными компаниями.

Более 15 сетей разных стран были объединены посредством STAR TAP к концу 1999 года. Среди них сети Азиатско-Тихоокеанского консорциума (APAN), Канады (CA Net), сеть Европейской лаборатории физики элементарных частиц (CERN), Франциb (Renater), Израиля, Нидерландов (SURFnet), скандинавских стран (NORDUnet), Сингапура (SingaREN), Tайваня (TANet), Американо-азиатского тихоокеанского консорциума (TransPAC) и американо-российский Консорциум (MirNET). Одна из главных особенностей - STAR TAP разрабатывает и использует объединенный подход к управлению, измерению характеристик, планированию и использованию географически распределенных ресурсов, названный Международной Сетью (iGrid).

Провайдеры высокоскоростных сетей (HPNSPs). Национальный научный фонд обозначил категорию коммерческих провайдеров услуг доступа в высокоскоростные сети (HPNSPs), которые снабжают усовершенствованные услуги сети по широкополосным сетям к университетским и Федеральным местонахождениям агентства и снабжают высококачественные услуги необходимыми NGI. Сеть Abilene  - первый HPNSP. Продавцы координируют близко с HPNSPS, сквозь JET и другие группы LSN, снабжать связность и усовершенствованные услуги высококачественным пользователям сети.

Усовершенствование распределенного доступа к данным. Ряд федеральных агентств, таких как NASA, NIH, NOAA и другие, прогнозируют  в течение ближайших лет существенное увеличение требований на передачу данных от искусственных спутников Земли через сети связи.

Результаты прогнозов заставляют эти агентства проводить в рамках группы JET ряд исследований, направленных на совершенствование высокоскоростного доступа к массивам данных.  В частности NOAA прогнозирует, что информационный поток в Центра Силвер Спринг в штате Мэриленд, будет расти от сегодняшних 150 Гбайт в день до 1 Террабайта в день в 2002.

Для подготовки к столь масштабным изменениям, NOAA в сотрудничестве  с другими агентствами, работающими по программе крупномасштабных сетей, проводит ряд работ по совершенствованию методов управления высокоскоростными сетями передачи данных. Среди наиболее перспективных технологий высокоскоростной передачи данных называется технология асинхронной передачи данных.

Области приложения высокоскоростных крупномасштабных сетей передачи данных

Главная цель исследований и разработок в области создания крупномасштабных сетей состоит в том, чтобы дать конечному пользователю такие услуги, которые были бы в состоянии решать все возрастающие потребности в вычислительных мощностях.

Среди множества приложений высокоскоростных сетей особо отмечаются следующие области.

Высокопроизводительные приложения для нужд науки и техники (HPASE). Национальный научный фонд поддерживает обширную программу исследований по созданию приложений для фундаментальных отраслей науки, что позволит приблизиться к масштабным и наиболее важным открытиям современной науки, позволяющим дать ответ на важнейшие вопросы современности. Столь амбициозные задачи выводят приложения этой группы на высшую ступень иерархии потребностей вычислительных ресурсов.

В 1999-2000 годах совместными усилиями университетского сообщества, Центра Атмосферных Исследований (NCAR) и других федеральных лабораторий в рамках программы HPASE были продолжены разработки системы моделирования климата Земли и атмосферы. К концу 1999 исследователям уже стали доступными результаты моделирования, охватывающих период с 1860 до 2300 годов, отражающими изменения  климата Земли под влиянием различных факторов, в том числе и деятельности человека.

В 2000 согласно программе HPASE, NCAR получило новую суперкомпьютерную систему, что позволило продолжить работы по развитию новых вычислительных методов.

 Погода. NOAA также поддерживает программу исследований в области сбора и обработки метеорологических данных. В достижении этой цели NOAA активно использует существующий и перспективный доступ к высокопроизводительным вычислительным системам, а также современные информационные технологии, включая NGI, распределенное вычисление, iGrid и цифровые библиотеки.

Телемедицина. Исследования и разработки в области создания крупномасштабных сетей в Национальной медицинской библиотеке (NLM) формируют сети для связи больниц, вспомогательных учреждений, медицинских школ, медицинских библиотек и университетов, чтобы дать возможность медработникам и исследователям обмениваться медицинскими данными и иметь доступ к необходимой медицинской литературе. NLM также поддерживает разработку технологий, обеспечивающих медработникам в отдаленных местах прямой контакт с их коллегами в крупных медицинских центрах, включая технологии визуализации анатомии человека, анализаторы рентгеновских снимков, компьютерную томографию и другие диагностические инструменты, а также технологии баз данных для хранения, доступа и передачи медицинских данных с соблюдением необходимых мер по защите целостности и конфиденциальности этих данных.

Кроме этого NLM сосредотачивается на оценке эффективности методов телемедицины. Так в 2000 году NLM продолжила финансирование проектов, способствующих реализации телемедицины.

 Компьютеризированные истории болезни. Цель программы компьютеризированной истории болезни (AHCPRS) состоит в том, чтобы повысить оперативность, точность и тиражирование данных о состоянии здоровья пациента, способствовать их использованию для повышения качества клинических решений.

Программа создания Объединенных Академических систем управления информацией (IAIMS). Цель программы IAIMS состоит в том, чтобы развивать и внедрять системы управления потоками информации в пределах университетских центров и больших медицинских центров, чтобы увеличить отдачу от результатов научных исследований, улучшить доступ к данным для оценки состояния здоровья. К программе подключены более 120 академических медицинских центров включая учебные заведения, больницы, клиники и лаборатории. Эти центры нуждаются в сиюминутной информации относительно состояния здоровья пациентов, результатах исследований, содержащих в базе данных библиографические и фактические данные о пациентах, их молекулярные данные, базы данных лабораторных и клинических исследований.

Проект "Видимый Человек" (VH). Большой размер набора изображений VH и других медицинских изображений оспаривает хранение и технологии передачи сети. Так как полный набор изображений человека требует емкости больше чем 100 CD, NLM исследует методы сжатия, чтобы минимизировать емкость и улучшать скорость передачи данных по Интернет.

 Биоинформатика. Биоинформатика ключевой компонент исследований генома человека, генной инженерии и проектирования новейших лекарственных препаратов, где широко используются аналитические и прогнозные методы для определения ключевых молекулярных групп, связанных со здоровьем и болезнью человека.

 Национальный центр биотехнологической информации (NCBI) сосредотачивается на автоматизированных системах записи и анализа обширной информации молекулярной биологии, биохимии и данных генетики, объемы которой постоянно возрастают. В распределенной базе данных NCBI накапливает данные от исследователей со всего мира и включает их в GenBank - банк данных ДНК-последовательностей - ключевой ресурс проекта «Геном человека». К этим базам данных обращаются ежедневно по Интернет более 90.000 сайтов.

Сергей Гриняев

Теги: Россия , США


МАТЕРИАЛЫ ПО ТЕМЕ: Наука и общество
Возрастное ограничение